波前测量和变换研究领域的一个最新发展趋势是数字、实时、动态；如用CCD数码相机代替传统的光学记录材料记录全息图，用计算机控制的高分辨空间光调制器(SLM)和计算全息图实时、动态地改变入射光波的波前等。这种数字波前测量和变换方法在精密测量、三维成像、显微、光学微操纵和微加工、原子光学、量子信息等研究领域具有广阔的应用发展前景。本论文重点研究了液晶空间光调制器(LCSLM)的相干光学特性、基于液晶空间光调制器的数字全息和波前变换方法以及在光学涡旋的生成等方面的应用问题。主要研究内容如下： 1.详细分析了扭曲向列型液晶空间光调制器(TN-LCSLM)的透射特性，提出了一种准确测量TN-LCSLM总扭曲角、固有双折射参量和输入面指向矢相对取向的方法；同时，还提出了一种快速测量TN-LCSLM复振幅调制特性的实验方法。利用该方法系统测量了所用TN-LCSLM在各种输入输出偏振器取向配置情况下的输出光强度和相位变化与控制信号灰度值的关系曲线，首次给出了TN-LCSLM的强度和相位调制范围的三维描述。这些分析和测量结果为我们深入了解TN-LCSLM的相干光学调制特性，选择和设计适用于不同波前变换实验的TN-LCSLM及其取向配置提供了参考依据。 2.提出了一种精确测量两幅干涉图样间的整体相移量的一种简单方法。该方法中，我们通过对两幅干涉图样加权相减和傅立叶变换，建立了一个以一级衍射谱能量最小为判据确定相移量的算法。通过分析和实验证明了这种方法的准确性和实用性。该方法除了具有较好的抗噪声能力外，还有易于编程，实现自动测量的优点。 3.把基于SLM的衍射光学波前变换系统等效成一个相干光学成像系统，定量分析了SLM的像素孔径对系统输出波前或成像的影响，给出了描述系统成像特性的点扩展函数(PSF)，并对其成像过程进行了计算机模拟。理论分析和计算机模拟结果表明：开口参数为零时，系统的PSF刚好对应一个sinc函数。当开口参数不为零时，该PSF中会多出一个SLM像素孔径函数的卷积项，从而影响输出光场。我们进一步提出了一种消除这种SLM像素孔径影响的物波频谱预处理方法，并通过理论分析和计算机模拟证明了这种方法的可行性。 4.分析了两种常用计算全息图产生的光学涡旋的光场分布特性，提出了采用环带结构的计算全息图消除次级衍射环噪声的方法。分别以再现光学涡旋主环的相对强度取最大和第一次环强度取最小为判据确定了最佳环带半径与全息图尺度和再现光学涡旋的拓扑荷之间的定量关系；给出了具有最佳环带结构的计算全息图的设计实例，并通过TN-LCSLM进行了实际光学再现，实验结果证明了用这种全息图所获得的光学涡旋环状光场有更陡峭的边缘，其外围次级衍射噪声得到了很好的抑制。我们还进一步讨论了高斯光束照明情况下能量利用率问题，发现一个具有最大能量利用率的最佳高斯光斑照明半径，并通过理论分析、计算机模拟和实验给出了确定这一最佳高斯光束半径的公式。最后，我们还提出了一种设计具有最佳环带结构的多环带型计算全息图的方法和具体步骤，给出了设计实例和实验结果。上述研究为我们近一步开展利用复合光学涡旋进行光学微操纵打下了基础。 5.通过把一个聚焦光学涡旋与均匀磁化介质中的分子电流环作比较，提出了一种利用空间光调制器和螺旋相衬滤波产生任意形状的聚焦光学涡旋及其阵列的新方法。理论分析和实验结果证明，当透过输入SLM的光的强度分布为一圆形光斑时，系统输出面上的输出光场刚好是一个圆环状的光学涡旋；改变输入光斑的位置、形状和大小，输出光学涡旋的位置、大小和形状也随之发生相应的变化。利用这种方法我们还实际生成了暗环带状光学涡旋场和具有特定晶格参数的阵列光学涡旋，并讨论了它们在原子光学、非线性光学和光学微操纵方面的可能应用。 6.提出并研究了一种基于光学涡旋场的相移数字全息实验方法，简称为OVPS(Opticalvortexphase-shifting)法。本方法中，我们首次实现了用光学涡旋作参考光的数字全息实验，并成功地通过适当旋转光学涡旋实现了数字相移全息中所需的精确相移。我们还进一步实验研究了记录和再现过程中使用具有不同拓扑荷参数的光学涡旋的的情况，及使用具有较大拓扑荷参数作参考光的情况。实验结果表明，在一定条件下，前者会产生类似Hilbert变换的边缘增强效应；后者则可以实现不经过复杂的相移算法而直接实现物波的同轴再现。这些理论和实验研究表明，这种利用光学涡旋作参考光的数字全息技术不仅提供了一种新的相移方法，同时也为利用数字全息实验记录和测量光学涡旋场，研究光学涡旋的传播动力学提供了一种可行的途径。 7.提出并研究了一种利用LCSLM和参考光点阵编码实现彩色全息图的单波长和单次曝光记录的技术。利用LCSLM设计制作了一种特殊的参考光点阵编码板；利用该编码板实现了二维彩色全息图的单次曝光记录。理论分析和实验证明了该方法的可行性。实验表明，虽然编码板的制作过程比较复杂，但是一旦把编码板做好并将记录光路调节好，就形成了一个方便的彩色全息记录系统。此后只要将所需记录图像输入计算机，就可较容易地完成彩色全息图的记录。由于整个记录过程只需要一次曝光，三色点阵又是空间分离的，因此可以获得较好的亮度和色饱和度。该方法为实现二维彩色全息图的全自动记录和输出提供了一条新的途径。